航空發(fā)動機服役環(huán)境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發(fā)動機陶瓷基復合材料熱端部件環(huán)境障涂層，其主要面臨環(huán)境腐蝕物侵蝕的挑戰(zhàn)。目前，環(huán)境障涂層通常采用大氣等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積方法來制備，但鑒于其沉積機理，涂層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環(huán)境中的腐蝕介質提供了滲透路徑，造成涂層失效。

來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作，提出了壓滲熔融鋁的方法來封堵涂層中的開孔及微裂紋，重點從熱力學角度分析了熔融鋁在孔隙中浸滲的困難性。結果表明，通過控制外壓可獲得良好的浸滲效果，這一研究結果有望為制備高致密環(huán)境障涂層提供新思路。相關論文以題為“Infiltrationthermodynamics in wrinkle-pores of thermal sprayed coatings”發(fā)表在Applied Surface Science （董琳為第一作者、劉梅軍和張小鋒為通訊作者）。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220336060

圖 TBCs的截面組織

該研究首先基于真實涂層的復雜孔隙結構建立了開放孔隙幾何模型——“褶皺孔”，以及熔體浸滲的物理模型和數(shù)學模型。通過數(shù)學模型計算獲得了熔體能量隨浸滲深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在浸滲過程中熔體能量出現(xiàn)多個平衡態(tài)，只有克服平衡態(tài)之后的能壘，熔體才能繼續(xù)浸滲。進而通過計算驅動力、分力等，得知外壓降低能量、驅動浸滲，內壓升高能量、阻礙浸滲，而造成能壘的主要因素是彎曲液面附加壓即毛細力，如圖1所示。

圖1 三種模型浸滲能量曲線

毛細力的決定性因素包括孔隙的幾何結構（孔寬和孔壁傾角）和熔體的潤濕特性（接觸角）。其中，孔隙結構中的擴張結構、熔體不良的潤濕性是造成毛細力阻礙浸滲的主要原因。但人為調控孔隙幾何和熔體在不均勻材料表面的潤濕性較難實現(xiàn)。研究過程中發(fā)現(xiàn)，除了毛細力，內、外壓也同樣影響浸滲行為，因此計算了升高外壓、同時降低內壓的方法對能量的影響，得知該法降低能量、克服能壘、提高浸滲深度理論上可行，而且這種調控外壓和內壓的方法在實踐中比較容易實施，如圖2所示。

圖2 內、外壓力的變化對驅動力及能量曲線的影響規(guī)律

綜上所述：涂層中復雜、不規(guī)則的孔隙結構是造成熔體自發(fā)浸滲困難的主要因素之一。通過調節(jié)孔隙內外壓力的方法能夠在一定程度上克服由孔隙擴張結構和潤濕性差引起的浸滲阻力，該方法應用于調控熔體在復雜孔隙內的浸滲深度具有熱力學可行性。